淺述一種直接水冷IGBT模塊的散熱仿真

王曉麗?于凱?黃小娟

摘 要 IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）模塊散熱性能的好壞是影響IGBT模塊可靠性的一個(gè)重要因素，本文設(shè)計(jì)了一種直接水冷散熱結(jié)構(gòu)的IGBT模塊，應(yīng)用Ansys軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱仿真，并與英飛凌同類(lèi)結(jié)構(gòu)的散熱仿真結(jié)果做對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明文中結(jié)構(gòu)的散熱分布更均勻，更有利于模塊的均流特性。

關(guān)鍵詞 IGBT;結(jié)構(gòu);散熱仿真

近年來(lái)隨著人們對(duì)電力電子裝置要求的日漸提高，電子設(shè)備及系統(tǒng)正向小型化、多功能方向發(fā)展，IGBT 模塊也正在向小尺寸、大功率的方向發(fā)展。隨之而來(lái)的是模塊內(nèi)所產(chǎn)生的高熱流密度帶來(lái)的散熱問(wèn)題，該問(wèn)題是制約IGBT模塊可靠性的重要因素之一，當(dāng)IGBT工作溫度超出限制范圍時(shí)，元器件的性能及穩(wěn)定性下降，進(jìn)而影響系統(tǒng)的可靠性，這就迫使人們對(duì)傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，探索適應(yīng)這一新趨勢(shì)的有效散熱措施。而當(dāng)采用了一項(xiàng)新型熱設(shè)計(jì)技術(shù)時(shí)，產(chǎn)品的身價(jià)也隨之增加。因此， IGBT模塊散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)模塊的性能和價(jià)值有重要影響[1-2]。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展，有限元分析軟件在模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中占舉足輕重的地位，該軟件可以對(duì)影響熱分布的諸多因素 （部件幾何尺寸、分布狀態(tài)、導(dǎo)熱材料的傳輸系數(shù)、周?chē)h(huán)境等）進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果通過(guò)圖形化顯示直觀(guān)的溫度場(chǎng)分布，可以高效、高速地應(yīng)用在精度要求不是很苛刻的產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)中[3]。本文通過(guò)Ansys軟件對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的IGBT模塊進(jìn)行散熱仿真，并與英飛凌同類(lèi)結(jié)構(gòu)模塊的散熱仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的必要性。

1散熱仿真

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的IGBT模塊及其散熱器結(jié)構(gòu)關(guān)鍵項(xiàng)點(diǎn)主要包含：

（1）模塊底板自帶pin-fin，自帶的pin-fin為上窄下寬結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能有效增加底板的散熱面積，同時(shí)降低pin-fin對(duì)冷卻液的阻流能力;

（2）模塊水槽的導(dǎo)流溝道，有利于水槽中水流的均勻性，使得模塊工作時(shí)各芯片熱分布更均勻，能有效抑制由熱分布不均引起的芯片損壞。

1.2 散熱仿真

（1）結(jié)構(gòu)建模

在不影響仿真結(jié)果的前提下，同時(shí)為便于網(wǎng)格劃分，本文對(duì)模塊模型中的子單元、焊料、帶pin-fin的底板、散熱水槽及冷卻液進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，如圖1所示：

（2）邊界條件設(shè)置

每個(gè)熱源功耗為100W，總功耗為900W，冷卻液設(shè)為水，入口水流速度設(shè)為0.2m/s，入口水溫設(shè)為0℃，出口壓力設(shè)為0N/m2， 模塊周?chē)鷾囟葹?0℃。

（3）仿真結(jié)果

對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)在相同條件下的熱分布情況，散熱仿真結(jié)果如圖2、圖3所示，由圖可以看出文中結(jié)構(gòu)的最高溫度為54.09℃，英飛凌結(jié)構(gòu)最高溫度為64.57℃。水流速度分布圖如圖4、圖5所示，文中結(jié)構(gòu)水槽中的最大水流速度為0.26m/s，英飛凌結(jié)構(gòu)的最大水流速度為0.3m/s，且文中結(jié)構(gòu)的水流更均勻。

1.3 不同入水口水流速度的仿真對(duì)比

保持其他邊界條件不變，分別將入水口的水流速度設(shè)為0.1m/s，0.2m/s，0.3m/s，0.4m/s，0.5m/s，0.7m/s。

由圖6出在保持其他邊界條件不變的情況下，當(dāng)增加水流速度時(shí)，模塊的最高溫度與模塊子單元之間的溫差值降低。

2結(jié)果分析

由溫度圖可以看出，兩種結(jié)構(gòu)模塊的溫度分布基本保持一致，水平方向上靠近入水口一側(cè)的散熱效果要低于出水口一側(cè)的散熱效果，垂直方向上靠近入水口一側(cè)的散熱更好。分析原因是，水平方向上，入口側(cè)的垂直流速比出口側(cè)的垂直流速小，所以靠近入口方向的散熱差;垂直方向上，因?yàn)榭拷胨诘乃疁氐?，因此帶走的熱量大，水越往下流，水溫越高，散熱能力越差，因此垂直方向上離入水口越遠(yuǎn)，散熱能力越差。

不同點(diǎn)是：①相同條件下，新設(shè)計(jì)的散熱結(jié)構(gòu)最高溫度為54℃，比英飛凌同類(lèi)結(jié)構(gòu)模塊的最高溫度低10℃，子單元之間的最高溫差為14℃，比英飛凌模塊的最高溫差低8℃，熱分布均勻性?xún)?yōu)于英飛凌模塊。分析原因：由圖7圖8可以看出文中結(jié)構(gòu)散熱水槽中水流更均勻，導(dǎo)致文中結(jié)構(gòu)的最高溫度低于英飛凌模塊的最高溫度，且熱分布更均勻。②與英飛凌同類(lèi)結(jié)構(gòu)相比文中設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)靠近出水口側(cè)的溫度較高。分析原因：本文設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中水槽中的水流速分布更均勻，而英飛凌模塊水槽中靠近出水口一側(cè)的水流速比入水口一側(cè)的水流速大，使得英飛凌模塊靠近出水口側(cè)的溫度低于文中結(jié)構(gòu)相同部位的溫度。

3結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)Ansys仿真軟件對(duì)文中結(jié)構(gòu)與英飛凌同類(lèi)結(jié)構(gòu)的散熱性能進(jìn)行仿真對(duì)比，通過(guò)對(duì)比結(jié)果得出本文設(shè)計(jì)的這種散熱結(jié)構(gòu)使得模塊的熱分布更均勻，有利于模塊的均流特性，同時(shí)對(duì)不同水流速度的散熱性能進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，在實(shí)際工況允許的條件下，可以通過(guò)提高水流速度來(lái)提高結(jié)構(gòu)的散熱能力。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫薇，劉鈞，蘇偉，等.直接冷卻IGBT 功率模塊散熱性能研究[J].電工電能新技術(shù)，2014，（4）：21-25.

[2] 劉慶龍，丁炬明，貢俊，等.黃蘇融基于A(yíng)NSYS的逆變器冷卻結(jié)構(gòu)熱仿真與設(shè)計(jì)優(yōu)化[C].第十七屆中國(guó)電動(dòng)車(chē)輛學(xué)術(shù)年會(huì).第十七屆中國(guó)電動(dòng)車(chē)輛學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.北京：中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)，2014：114-118.

[3] 張健，呂長(zhǎng)志，張小玲，等.基于A(yíng)NSYS的IGBT熱模擬與分析[J].北京工業(yè)大學(xué)，2011，41（1）：139-142.

作者簡(jiǎn)介

王曉麗，女，工程師，現(xiàn)就職單位：西安中車(chē)永電電氣有限公司，研究方向：IGBT模塊封裝測(cè)試。

于凱，男，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職單位：西安中車(chē)永電電氣有限公司，研究方向：IGBT模塊封裝測(cè)試。

黃小娟，女，工程師，現(xiàn)就職單位：西安中車(chē)永電電氣有限公司，研究方向：IGBT模塊封裝測(cè)試。